矮塔斜拉桥合理成桥状态分析研究

2011-04-19 08:20邹化明

四川建筑 2011年2期

伍云，邹化明

(1.仙桃市交通局，湖北仙桃 433000;2.深圳高速工程顾问有限公司，广东深圳 518034)

随着桥梁技术的发展，桥梁应用出现了两大趋势，即传统桥梁的轻型化和组合化。组合体系桥梁极大地丰富了桥梁造型。组合体系桥中比较有代表性的是拱梁组合体系、斜拉一连续梁(刚构)体系等，其中斜拉一连续梁(刚构)体系是一种比较新颖的桥型，近1O年来应用较多，受到广泛的关注。普遍认为，由Christian Menn设计的建于1980年的的甘特(Ganter)大桥，是斜拉一连续(刚构)体系桥的先驱，其混凝土箱形梁由预应力混凝土斜拉板“悬挂”在非常矮的塔上，这种板可以看成是一种刚性的斜拉索，该桥的出现形成了斜拉桥的一个分支—板拉桥，由于其与环境的完美结合，成为一道风景。甘特大桥的出现为其后的矮塔斜拉桥的出现奠定了基础。

目前这种桥在各国得到了广泛应用，日本已建成此类桥梁2O多座，中国大陆地区已建和在建的达1O多座，中国台湾地区有2座，瑞士、菲律宾、老挝、帕劳群岛、克罗地亚各1座，美国珍珠港在建1座;其中，中国已建成的江珠高速荷麻溪大桥、重庆嘉悦长江大桥主跨分别达到230 m和250 m(预应力混凝土梁)，芜湖长江大桥主跨达到340 m(钢桁梁)，分别为同类桥梁最大跨径。

矮塔斜拉桥主梁受力表现为连续梁特点，但是拉索对整个结构体系的内力分配有很大的影响。和常规斜拉桥一样，矮塔斜拉桥也存在如何确定合理成桥状态的问题，而这一问题在矮塔斜拉桥的分析中并没有引起足够的重视。另外，由于早期的矮塔斜拉桥跨径均较小，许多学者提出了矮塔斜拉桥和常规斜拉桥的界定标准，随着矮塔斜拉桥的跨径越来越大，这些标准已经不再容易满足，所以，如何界定矮塔斜拉桥和常规斜拉桥也成为一个新的课题。

1 受力特点与设计计算要点

矮塔斜拉桥具有常规斜拉桥的外形，但在布索、主梁结构尺寸、索塔结构尺寸以及主梁受力特点等方面又与常规斜拉桥有明显的差别，是介于柔性加劲梁的斜拉桥和刚性主梁的连续梁式桥之间的一种过渡性桥梁。

矮塔斜拉桥索塔锚固构造一般采用鞍座式，斜拉索在塔顶连续通过。近年来，基于追求美学的效果，矮塔斜拉桥开始使用空间索，索塔锚固中也开始采用钢锚箱等结构型式。

矮塔斜拉桥加劲梁具有相当的刚度，通过主梁的受弯、受压和索的受拉来承受竖向荷载。根据其受力的特点，可以将斜拉索作为主梁的体外索，拉索主要布置在主梁负弯矩区内。超过梁体承载力部分的荷载效应由索来承担，因此可人为选择二者的分配比例，当梁体较刚，主梁抗力大时，可减少斜拉索，弱化斜拉索的作用;反之，梁体较柔，主梁抗力较小时，可增大斜拉索，强化斜拉索的作用。这样，可根据实际情况，合理选择各部尺寸使设计自由度更大。

矮塔斜拉桥的适用跨径由其特性决定，它的适用跨径宜在100～300 m之间，若主梁采用钢与混凝土混合结构，跨径有望突破400 m。结构体系可选用塔梁固结、梁底设支座;塔墩固结、塔梁分离;塔梁墩固结的3种形式。第一种形式适用于跨度不太大的桥梁，支座吨位不致于过大，它的特点是塔根弯矩较小，塔两侧索力差较小，结构的整体刚度较小;第二种形式适用于跨度稍大，墩高较矮的桥梁，它的特点是塔墩弯矩较大，塔两侧索力差较大，结构的整体刚度较第一种形式大;第三种形式适用于跨度稍大，墩高较大的桥梁，结构体系类似于连续刚构，它的特点接近于第二种形式。目前我国已建和在建的小跨径矮塔斜拉桥多为第一种形式，大跨径矮塔斜拉桥一般采用塔梁墩固结的结构体系。

根据国内外目前已建矮塔斜拉桥跨径比例分析，由于矮塔斜拉桥刚度比斜拉桥大，接近于连续梁，其边、中跨比值常采用0.52～0.65。在特殊情况下，边、中跨比值亦可小于0.5。矮塔斜拉桥由于其主梁要承受相当大的弯矩，主梁截面形式更接近于连续梁。一般情况下，连续梁采用的截面形式都能适用于矮塔斜拉桥。

斜拉索设计根据桥面布置及景观要求，可采用单索面及双索面。斜拉索在梁上宜布置在边跨中及1/3中跨附近。索距不宜太大，宜为3～5 m，以适应受力及施工要求，主、边跨的索应对称于塔布置。斜拉索的应力可采用较高值，最大可达0.6Rby，由于梁的刚度大，斜拉索倾角小，斜拉索一般宜采用一次张拉。由于矮塔斜拉桥的拉索具有主梁体外索的特征。索对梁提供竖向分力的同时，也对梁提供较大的轴压力，以使梁能承受弯矩，因此索的倾角较小，塔高不需太大，其高度可采用主跨的1/8～1/12。

矮塔斜拉桥在构造及受力特征上与常规斜拉桥和连续梁桥尚有一定的差异，在进行其结构分析时要注意以下几点:

(1)结构分析要选用合理的计算图式，考虑施工过程中体系转换、临时支承及结构各部分的强度增长，合理估计施工荷载。

(2)矮塔斜拉桥张拉时主梁挠度大，张拉初期索的垂度较大，须计入几何非线性影响。斜拉桥主梁和索塔都是压弯构件，其截面弯矩和轴力会产生耦合效应，应加以处理。要考虑混凝土收缩徐变、温度以及风荷载等偶然因素对结构变形和内力的影响。

(3)预应力混凝土斜拉桥施工中各工况受力状态达不到设计要求的重要原因，是有限元计算模型中的计算参数取值与施工中的实际情况有一定的偏差。斜拉桥的这种偏差具有累积性，因此，要根据施工实测结果予以修正，以使计算模型和计算参数符合结构的实际情况。

2 实例工程概况

文章以一个工程实例为背景，对矮塔斜拉桥的合理成桥状态进行分析。

该桥桥跨布置为(120+190+120)m，主桥长430 m。系双塔单索面预应力混凝土矮塔斜拉桥。主桥采用塔墩梁固接结构体系，主桥和引桥交接墩位置设竖向支座，主桥采用双薄壁墩基础。主桥桥型布置图和主梁标准横断面图如图1所示。

图1 主桥桥型布置

图2 主梁等高段标准横断面

主梁采用单箱三室大悬臂变截面PC连续箱梁，支点梁高6.5 m，跨中梁高3.0 m，箱梁顶宽33.7 m，悬臂板长4.5 m，箱梁底宽由20.1 m渐变到23 m;两外腹板为斜腹板，腹板斜率不变，斜拉索锚固点布置在箱梁中室内如图2所示。主梁除支点处设横隔板外，每根斜拉索锚固点处均设横隔板，间距4 m。主塔高28.80 m，采用钢筋混凝土独柱实心截面，顺桥向长5 m，横桥向宽2.5 m，布置在中央分隔带上，并与主梁固接，塔身上部设鞍座，以便斜拉索通过。斜拉索横桥向呈两排布置，鞍座亦设两排，鞍座采用双重钢管结构形式，外管预埋于混凝土塔内，内管置于外管内，斜拉索穿过内管。在两侧出口处的斜拉索上设有索夹，以防止斜拉索滑动;内、外管均与各自的钢管座焊固，以防止内外管相对滑动。为与斜拉索通过鞍座相适应。桥塔桥墩为双薄壁式主塔墩，壁厚1.5 m。斜拉索为单索面，双排布置在中央分隔带上，每个塔上设有14对28根斜拉索，斜拉索在主梁上纵向标准间距4 m，双排横向布置，横向间距1 m，塔上竖向间距0.8 m。斜拉索在塔顶连续通过鞍座，两侧对称锚于主梁。

全桥总体静力分析采用RM 2006空间杆系程序，以理论竖曲线为基准进行结构离散。主梁和主塔采用三维梁单元，斜拉索采用索单元。全桥有限元模型共有空间梁单元313个，空间索单元112个如图3所示。

图3 全桥有限元离散模型

常规斜拉桥中可通过索力调整来改变结构受力分配，当斜拉桥结构体系确定后，总可以找出一组索力，使结构体系在确定性荷载下，受力性能达到最优，该组索力对应的成桥状态即为目标下的成桥合理状态。矮塔斜拉桥主梁表现为连续梁(钢构)特征，但是拉索索力对主梁的弯矩影响很大，同样可以找出一组拉索索力，使得结构在拟定的结构尺寸内配束最少、受力最优，使得主梁、索塔和拉索的刚度分配合理。

在成桥状态分析中，根据施工组织设计的安排进行施工阶段分析，全桥索力采用一次张拉。主桥采用悬臂挂篮施工，边跨靠交接墩梁段采用支架现浇施工，全桥先边跨合龙后中跨合龙。按照施工阶段分析至结构合龙且二期恒载作用，分析结构的受力状况，然后调整施工阶段拉索的张拉荷载迭代至结构成桥状态受力合理。在分析成桥状态结构受力时，需要注意以下几点:

(1)索力分布，矮塔斜拉桥采用鞍座式时，应调整边中跨拉索索力基本一致，全桥索力基本一致，索力分布有规律。

(2)主梁弯矩，矮塔斜拉桥中的主梁弯矩表现为连续梁(钢构)特点，斜拉索实质上是主梁的体外索，需要合理利用体外索，减少主梁中的配束，降低负弯矩区段的弯矩值。

(3)在做到边中跨索力基本一致后，成桥阶段的索塔弯矩基本只由二期恒载的边中跨的差异产生，合理的成桥状态下，索塔弯矩很小。基于以上的调索的目标，对结构的合理成桥状态进行了探讨。

成桥状态主梁弯矩图如图4所示: